论文总字数：22652字

摘 要

随着集成电路规模和封装密度的增加，以及微型化工设备的发展，换热效率高、结构紧凑的微型热交换器在相关产业中愈发重要。然而，传统的经验公式不适用于该类型热交换器。为了对微尺度下的流动和传热特性进行研究，提高微尺度热交换设备的换热效率，设计了以微管道阵列作为传热元件，且主要部件可重复使用的模块化微型热交换器。克服了以往此类装置加工成本高、试验周期长的缺点。

采用试验与数值模拟相结合的研究方法，在给出模型和一定流量范围后，使用自主编写的数值模拟辅助软件可在较短时间内得到该模型在此流量范围内的强化传热措施。研究了在管程为两个筒节时微管道阵列的排布方式与间距，及在管程为三个筒节时折流板对微管道热交换器换热效率的影响，发现间距为微管道外径2-2.5倍的正三角形微管道阵列的换热效率最优，加入折流板后可以显著提高微管道热交换器的换热效率。

关键词：微管道阵列；热交换器；强化传热；数值模拟

Research on the heat transfer performance of arrayed micro-tubes

Abstract

With the increase in the scale and packing density of integrated circuits, and the development of micro-chemical equipment, micro heat exchangers with high heat transfer efficiency and compact structure are increasingly important in related industries. However, the traditional empirical formula not applicable to this type of heat exchanger. In order to study the flow and heat transfer characteristics of fluids at micro-scale and improve the heat transfer efficiency of micro heat exchangers, a modularization arrayed micro-tubes heat exchanger with reusable main component was developed. It overcomes the disadvantages of high processing costs and long experimental period of such device in the past.

The method of combining experimental and numerical simulation was applied. After giving the numerical model and a certain flow range, with the help of the self-compiled numerical simulation assistant software, the heat transfer enhancement measures of this model within the flow range can be obtained in a short time. The effect of arrangement and spacing of the micro-tubes array when the length of tube side is two barrel sections are studied, as well as the effect of the baffle plate on the heat exchange efficiency of the micro-pipe heat exchanger when the length of tube side is three barrel sections. It is found that the heat transfer efficiency of the equilateral triangle micro-tubes array with the interval of 2 to 2.5 times the outer diameter of the micro-tube is the best, the efficiency of the arrayed micro-tubes heat exchanger improved significantly after adding the baffle.

KEYWORDS: Arrayed micro-tubes; Heat exchanger; Enhanced heat transfer; Numerical simulation

目 录

摘要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 常规通道内的流动及传热特性 2

1.2.2 微通道内流动及传热特性研究现状 4

1.3 本课题技术路线 5

第二章 试验装置的设计与搭建 7

2.1 微管道阵列热交换器的设计 7

2.1.1 设计参数 7

2.1.2 主体结构设计 7

2.1.3 管板的设计及其与换热管的连接 11

2.1.4 折流板的设计 11

2.2 微管道阵列热交换器的装配及其密封性检测 13

2.3 试验装置的搭建 13

2.4 本试验装置的优势 15

2.5 本试验装置的经济评价 15

第三章 试验方案及数据处理 16

3.1 试验方案 16

3.2 试验步骤 16

3.3 试验数据处理 17

3.3.1 微管道热交换器的热负荷 17

3.3.2 微管道热交换器的总传热系数 17

3.3.3 微管道热交换器换热管内对流传热系数 18

3.3.4 微管道热交换器的压降 22

第四章 微管道阵列耦合传热过程的数值模拟 25

4.1 控制方程 25

4.2 热交换器的数值模拟 26

4.2.1 模型的建立 26

4.2.2 模型网格的划分 27

4.2.3 模型边界条件的设置与数值模拟 28

4.3 热交换器模型的简化 28

4.3.1 模拟结果 30

4.4 数值模拟的自动化 32

第五章 微管道阵列传热性能的预测 34

5.1 微管道阵列排布方式对其传热性能的影响 34

5.2 折流板对微管道阵列传热性能的影响 38

5.3 微管道阵列排布方式对壳程压降的影响 39

第六章 总结与讨论 41

参考文献 43

致谢 45

第一章 绪论

1.1 课题背景

随着微型化的进程与微加工技术的发展，微尺度的流动与传递的应用愈发广泛。例如，随着集成电路规模和封装密度的增加，部分芯片的热流密度已经超过100W/cm^2[1]。对于部分空间紧张的应用场景，如大功率LED芯片等，若采用传统热效率较低的热管配合翅片散热器，所需散热面积大，不能满足使用需求。而在硅片或基板上制造出的微尺度通道^[2],结构紧凑、热效率高，是目前的一个研究热点。

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